Pulverbettbasierte Laserschmelzsysteme (LPBF) bauen Komponenten aus mehreren Millionen Laseraufnahmen auf. Um Funktionsteile fertigen zu können, muss der Prozess äußerst präzise sein. Allerdings gibt es während des Bauprozesses Störquellen, die zu Abweichungen führen und sich auf die Langlebigkeit des Bauteils auswirken können. Die Spektralüberwachung in Echtzeit bietet Herstellern die Möglichkeit, Daten über die Schmelzbad-Eigenschaften für eine rückverfolgbare Produktion und Prozessoptimierung zu sammeln.
Infini AM Spectral gehört zu einer ganzen Produktreihe und soll Anwendern bei der Erfassung, Analyse und Speicherung von Prozessdaten aus Renishaw LPBF Technologien unterstützen. Die Software ermöglicht die Aufnahme, Abbildung und Analyse von Daten – ein leistungsfähiges Werkzeug, das besseren Einblick in AM-Prozesse gewährt.
Abweichungen werden sofort erkannt
Die neue Software bietet zwei Messfunktionen in ihren Sensormodulen: Laser-View verwendet eine lichtempfindliche Diode, um die Intensität der Laserenergie zu messen. Melt-View erfasst Emissionen aus dem Schmelzbad in den nahen infraroten und in den infraroten Strahlungsbereichen. Diese beiden Sensorsignale können verglichen werden, um Diskrepanzen zu identifizieren.
Melt-View und Laser-View übertragen die Daten schichtweise über ein herkömmliches Rechnernetzwerk, so dass die Hersteller die Prozessüberwachungsdaten in Echtzeit analysieren können. Mit zunehmendem Baufortschritt werden die Daten live in 3D zur Ansicht in Infini AM Spectral dargestellt. Der Techniker kann die Daten jedes Sensors vergleichen, um Abweichungen zu identifizieren. Dadurch kann er Unregelmäßigkeiten aufdecken, die möglicherweise zu Defekten führen.
Beständigkeit in der additiven Fertigung
„Damit die additive Fertigung tatsächlich Verbreitung als Fertigungsverfahren findet, müssen Anwender und Fachleute den Prozess in all seinen Aspekten verstehen“, erläutert Jan-Peter Derrer, Produktmanager des Geschäftsbereichs Additive Fertigung bei der Renishaw GmbH. „Diese Software wird besonders für jene Hersteller von Vorteil sein, die Beständigkeit im additiven Fertigungsprozess anstreben.“
„Die Menge von Prozessdaten, die während eines AM-Bauprozesses generiert wird, ist riesig. Ohne die richtigen Analysetools könnte es daher schwierig sein, sie praktisch zu nutzen“, fährt Derrer fort. „Mithilfe von Infini AM Spectral können Hersteller Daten einfach interpretieren und ein besseres Verständnis für ihre AM-Prozesse gewinnen. Der Zugriff auf Echtzeitdaten eröffnet Möglichkeiten für weitere Entwicklungen in der Prozessregelung – die Erkennung und Korrektur von Problemen in Echtzeit.“
Hochwertige Serienbauteile
Infini AM Spectral wird ein großes Plus für jene Hersteller sein, die identische Serienbauteile in hochwertigen Anwendungen fertigen. Wenn das erste Bauteil einer Serie gefertigt wird, können die Laser-View- und Melt-View-Daten mit den bereits vorhandenen Daten eines bekannten Referenzteils, die mit Röntgen- oder CT-Technik aufgenommen wurden, verglichen werden. Der Hersteller kann die Signaldaten dieses Referenzteils als Maßstab nehmen und sie mit den Daten weiterer Bauteile vergleichen, um deren Qualität und Beständigkeit zu beurteilen.
Produktivität dank Multilasertechnologie
Mit dem neuen Ren AM 500Q 4-Laser-Fertigungssystem hat Renishaw zudem die Produktivität in der metallischen additiven Fertigung deutlich gesteigert. Mit dem Ren AM 500Q wird der Bauprozess bis zu vier Mal schneller ausgeführt. Damit werden additive Fertigungsverfahren auf Metallbasis auch wirtschaftlich attraktiver. Ein wesentliches Element des Ren AM 500Q ist das innovative Optiksystem. Dieses wurde in Zusammenarbeit zwischen Renishaws Fachabteilungen für Steuerungen, Software und Maschinenbau entwickelt.
„Die Strahlen des Ytterbium-Faserlasers dringen in das Optiksystem ein und werden über vier Spiegelpaare weitergeleitet“, erklärt Jan-Peter Derrer. „Die Spiegel werden dabei von Präzisionsgalvanometern („Galvos“) angetrieben und drehen sich, um die Laserstrahlen jeweils über die gesamte Bauplatte zu lenken.“ Das Optiksystem sorgt außerdem für eine dynamische, kontinuierliche Fokussierung des Lasers. Es passt die Fokuslängen so an, dass der Strahldurchmesser gleich bleibt, während sich die Strahlenwinkel über dem flachen Arbeitsbereich verändern.
Um echte Präzision am Pulverbett zu bieten, bedarf es einer ausgereiften Opto- und Steuerungstechnik, ein Fachwissen, das Renishaw über mehrere Jahre mit Produkten wie dem Revo 5-Achsen-Messsystem für Koordinatenmessgeräte perfektioniert hat.
AM in der eigenen Fertigung
Zur Herstellung des Ren AM 500Q Optiksystems nutzte Renishaw die eigene additive Fertigung. So konnte Renishaw die Leitspiegel kompakter anordnen und konforme Kühlkanäle integrieren, die für präzise thermische Stabilität sorgen. Das Optiksystem wird mithilfe eines hybriden Herstellungsverfahrens gefertigt. Durch die Integration der (normalerweise mehrfach verwendbaren) Prozessplatte in das fertige Bauteil war es möglich, die Menge des zu druckenden AM-Materials zu reduzieren. Ebenso verkürzten sich die Verarbeitungsschritte, da keine Bauteile mehr von der Platte entfernt werden mussten. Die Komponente, die AM Stützstruktur und die fertigungsgerechte Konstruktion für die Serienproduktion wurde anschließend in Renishaws Solutions Centre für additive Fertigung in Staffordshire weiter optimiert.
Produktivität ohne Grenzen
Das neue 4-Laser-System steigert die Produktivität bis um das Vierfache, ohne dass die Plattformgröße ausgebaut werden muss. Größere Systeme anderer Hersteller bergen zusätzliche Herausforderungen, wie Lagerung von größeren Mengen an Werkstoffen, die mechanische Handhabung schwerer Substratplatten, die Gewährleistung der Effektivität des Schutzgases über einen meist größeren Arbeitsbereich sowie die zwangsläufig höheren Investitionsausgaben und die größere Aufstellfläche. Bei größeren Bauteilen müssen diese Kompromisse eingegangen werden, für allgemeine Einsatzzwecke bieten mittelgroße Maschinen allerdings mehr Möglichkeiten, nur dass ihre Produktivität durch die begrenzte Anzahl von Lasern beeinträchtigt ist.
Das Ren AM 500Q basiert auf der Systemarchitektur des Ren AM 500M Einzellaser-Systems, das Renishaw für die Serienproduktion entwickelt hat, jedoch mit wesentlichen Unterschieden. Der offensichtlichste sind die vier Laser. Jedoch mussten alle Subsysteme neu konzipiert werden, um dem höheren Durchsatz gerecht zu werden. Sehr wichtig ist die Fähigkeit, die zusätzlichen, von den vier Lasern generierten Prozessemissionen zu verarbeiten. Löst man diese Aufgabenstellung durch einen höheren Gasdurchsatz und eine höhere Gasgeschwindigkeit, steigt die Belastung für andere Subsysteme, wie beispielsweise das Filtersystem, das die Prozessemissionen aufnehmen soll. Hier integrierte Renishaw einen Zwischenkühler im Gasstrom, der für konstante Verarbeitungstemperaturen sorgt, und einen vor den Filter gesetzten Zyklonabscheider, der kleinere Partikel von größeren Partikeln abscheidet. Er trägt zur längeren Lebensdauer des Filters bei und ermöglicht eine häufigere Wiederverwendung des Pulvers.
Ein anderer Bereich, der optimiert wurde, ist beispielsweise die verbesserte Konsistenz des Gasflusses im gesamten Verarbeitungsbereich, durch die sich der Reinigungsaufwand zwischen den Bauprozessen deutlich verringert. Bei vier Lasern, die über den gesamten Baubereich arbeiten, ist es außerdem sehr wichtig, einen präzisen Bezug zwischen Optiksystem und Pulverbett aufrechtzuerhalten. Verschiedene technische Neuerungen, wie unter anderem kinematische Präzisionsaufnahmen zur Bestimmung der Beschichterposition, unterstützen dieses Ziel und verbessern die Einrichtzeit und Wiederholgenauigkeit.
Kleine Aufstellfläche, große Möglichkeiten
Der effiziente Einsatz von vier Lasern erfordert im Vorfeld mehr Aufwand für die Programmierung und Verfahrenstechnik. Am besten beginnt man einfach damit, jeden Laser einem individuellen Bauteil oder einer Gruppe unabhängiger Bauteile zuzuordnen. Die Laser können dann parallel arbeiten. Ein Beispiel ist der Renishaw Ren AM 500Q Galvo-Aufnahmeblock, der unter Verwendung von vier Lasern in 19 Stunden additiv gefertigt wird. Hierbei handelt es sich um ein ideales AM-Bauteil und eine Anwendung, wo sich die Betriebsbeanspruchung auf thermische Stabilität, Dichtigkeitsprüfung und geometrische Wiederholpräzision beschränkt. Der Block untersteht keiner nennenswerten strukturellen Belastung, so dass für die Qualitätskontrolle der Komponente eine einfache Prüfung der funktionalen Konstruktionsanforderungen genügt.
Bei schwierigeren Strukturteilen, insbesondere jenen, die für sicherheitskritische Anwendungen in Bereichen wie Luft- und Raumfahrt, Gesundheitswesen und Motorsport bestimmt sind, werden die meisten Anwender genau wissen wollen, welche Effekte die Interaktion mehrerer Laser hat. Dazu sind mehr Tests und Analysen erforderlich, d. h. Abläufe, die interessierte Anwender über das „Access Programm“ des Renishaw Solutions Centre selbst kennenlernen können.
Jeder Anwender wird eigene Vorstellungen davon haben, welche Ansätze mit der Multilaser-Technik verfolgt werden. Sei es, um die Produktivität bereits ausgereifter AM-Anwendungen zu steigern, oder um neue Märkte und Anwendungen, ermöglicht durch die erheblichen Produktivitätsvorteile, zu erschließen. Additive Fertigung ist nun eine praktikable Technologie für die Serienfertigung. Die Technologie bewegt sich hin zu Anwendungen, wo nicht nur die technischen Vorteile der additiven Fertigung attraktiv sind, sondern auch die wirtschaftlichen, die sich aus der Produktion von qualitativ hochwertigen Komponenten ergeben.
Und mehr noch, das Renishaw Ren AM 500Q System bietet eine bis zu vier Mal höhere Produktivität bei gleichzeitig nur geringfügig höherem Investitionsaufwand – und damit niedrigere Stückkosten. Dies erhöht die Attraktivität der additiven Fertigung auf Metallbasis und bietet Anwendern Steigerungspotenzial.
Renishaw-Geschäftsführer Rainer Lotz im Interview…
Renishaw GmbH
www.renishaw.de
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